vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ГЛАВА 7. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ В БУРЕНИИ

В этой главе рассматриваются правильное использование гидравлической энергии на буровом долоте и определение потерь давления в различных частях бурильной колонны. Существует несколько моделей для расчетов потерь давления в трубах и кольцевом пространстве. Каждая из моделей базируется на ряде допущений.

ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ

Рассмотрим схему, на которой представлены различные элементы бурильной колонны, долото и обвязка наземного оборудования (рис 7.1).

Вследствие действия сил трения при движении жидкости происходит потеря энергии при нагнетании жидкости из точки / в точку // и обратно в резервуар для бурового раствора (точка ///). Основная задача гидравлики буровой установки — расчет потерь давления в результате действия сил трения в различных частях системы циркуляции.

Эти потери давления удобнее определять, выделив четыре основных участка: 1) в обвязке наземного оборудования, 2) трубах, 3) кольцевом пространстве и 4) долоте. Указанные потери давления зависят от типа используемой жидкости и характера потока в циркуляционной системе.

Потери давления в обвязке наземного оборудования pi определяются

сопротивлениями в стояке, буровом шланге, вертлюге и ведущей трубе Задача определения потерь давления в обвязке наземного оборудования осложняется зависимостью этих потерь от размеров и геометрической формы наземного оборудования, которые могут изменяться во времени вследствие непрерывного износа

поверхностей промывочными жидкостями. Для определения потерь давления (МПа) в обвязке наземного оборудования можно использовать следующее уравнение:

где Е—постоянная величина, зависящая от типа обвязки наземного оборудования; рт— плотность бурового раствора, кг/л;

Q—расход жидкости, л/мин; PV—пластическая вязкость, Ю-3 Па-с.

На практике используют четыре типа наземного оборудования; каждый тип характеризуется размерами стояка, рабочей

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

трубы, бурового шланга, вертлюга и, кроме того, значением константы Е (табл. 7.1.) Потери давления происходят внутри бурильной трубы и УБТ и обозначены

соответственно pi и рз- Потери давления в кольцевом пространстве возникают вокруг УБТ и бурильной трубы и соответственно обозначены р4 и ps (см. рис. 7.1). Величины pz, Рз, р4 и ps зависят от следующих факторов:

а) размеров бурильной трубы или УБТ, т. е. от наружного и внутреннего диаметров и длины;

б) реологических свойств бурового раствора, т. е. от плотности бурового раствора, пластической вязкости и предельного напряжения сдвига;

в) характеристики потока, который может быть ламинарным, турбулентным (обычный или пробковый).

Фактическое поведение бурового раствора в скважине точно неизвестно, а его параметры, измеренные на поверхности,

ТАБЛИЦА 7.1

ТИПЫ НАЗЕМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

отличаются от значений на забое. Существует несколько методик расчета потерь давления, причем каждая из них дает различные значения для одних и тех же условий.

Ниже используются две модели: пластическая модель Бингхэма и модель степенного закона. Все необходимые уравнения приведены в гл. 5.

При пластической модели Бингхэма используют следующие уравнения. Средняя скорость движения (м/с) жидкости в трубах

где Q—расход, л/мин, D—внутренний диаметр трубы, мм. Критическая скорость жидкости

(м/с) в трубах

где УР— предельное напряжение сдвига, Па.

Если средняя скорость жидкости больше критической, т. е.

то поток—турбулентный , и для определения потерь давления в трубах (МПа) необходимо использовать уравнение

где L — длина трубы, м.

Если средняя скорость жидкости меньше критической, т. е.

то поток— ламинарный, и для определения потерь давления (МПа) в трубах необходимо использовать уравнение

При движении жидкости в кольцевом пространстве средняя скорость (м/с) определяется по формуле

где Дека—диаметр скважины, мм; Дн—наружный диаметр трубы, мм. Критическая скорость (м/с) жидкости в кольцевом пространстве

где De—эффективный диаметр,

Сравнивая формулы (7.3) и (7.9), видим, что они аналогичны- вместо внутреннего диаметра трубы D в

формуле (7.9) используется эффективный диаметр De, который находят из выражения (7.10).

Если средняя скорость жидкости больше критической, т. е.

то поток — турбулентный, и для определения потерь давления (МПа) в кольцевом пространстве необходимо использовать уравнение

Если средняя скорость жидкости меньше критической, т. е.

то поток— ламинарный, и для определения потерь давления (МПа) в кольцевом

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

пространстве необходимо использовать уравнение

Перепад давления на долоте

где рст—потери давления на стояке; рбт, рубт—потери давления при движении жидкости

внутри соответственно бурильных труб и УБТ; р зт, Р З.УБТ— потери давления при движении

жидкости в затрубном пространстве соответственно между бурильными трубами и стенками скважины и между УБТ и стенками скважины.

Скорость выхода (м/с) струи жидкости из насадки долота определяется по формуле:

Общая площадь поперечного сечения (мм2) насадок долота

а диаметр (мм) насадки долота

Для стационарного турбулентного потока справедливо приближенное соотношение

Если при бурении применяют раствор, который описывается степенным законом, то сначала определяют параметры п и К по формулам

Затем по формуле (7.2) определяют среднюю скорость движения жидкости. Значение критической скорости (м/с) жидкости в трубах находят из выражения

Если средняя скорость жидкости больше критической и справедливо соотношение (7.4), то поток— турбулентный, и для определения потерь давления в трубах необходимо использовать уравнение (7.5).

Если средняя скорость жидкости меньше критической и справедливо соотношение (7.6), то поток— ламинарный, и для определения потерь давления в трубах следует применять уравнение

При движении раствора в кольцевом пространстве для определения потерь давления находят среднюю скорость по формуле (7.8) и критическую скорость из соотношения

Если средняя скорость жидкости больше критической и справедливо соотношение (7.11), то поток в кольцевом пространстве—турбулентный, и для определения потерь давления необходимо использовать формулу (7.12).

Если средняя скорость жидкости меньше критической и справедливо соотношение (7.13), то поток в кольцевом пространстве — ламинарный, и для определения потерь давления требуется применять формулу:

Р к.п.л.=18,9.10-4 KL/Dскв- Dн((4000v/Dскв -Dн.) (2n+1)/n))n 7.25

При установлении потерь давления на долоте необходимо использовать формулы (7.15)—

(7.18).

Цель любых гидравлических расчетов — оптимизация перепада давления на долоте таким образом, чтобы обеспечить максимальную очистку забоя.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для данной длины бурильной колонны (бурильной трубы и УБТ) и определенных свойств

бурового раствора потери давления p1, р2, р3, р4 и p5 останутся постоянными. Потери

давления на долоте в значительной степени зависят от диаметров насадок, которые определяют гидравлическую мощность, реализуемую на долоте. Чем меньше диаметр насадки, тем больше перепад давления и скорость струи в насадке. Когда твердость пород изменяется (от мягких пород до пород средней твердости), основная задача—обеспечение максимальной очистки, а не максимального гидромониторного эффекта. В этом случае при использовании насадок большего диаметра требуется высокий расход жидкости.

Для нахождения перепада давления на долоте необходимо найти сумму р1+р2+р3+р4+р5 и

получить общую величину рс (потери давления во всей системе). Затем следует определить расчетное давление насоса. Обычно предусматривают работу насоса на 80—90 % расчетной

величины, и тогда перепад давления в долоте равен разности давления нагнетания и рс.

Уравнения, необходимые для расчета скорости истечения струи из насадок, перепада давления на долоте и диаметров насадок приведены выше.

Пример 7.1. С помощью пластической модели Бингхэма и модели, использующей степенной закон, определить потери давления, скорость истечения струи из насадки и диаметры насадок для скважины диаметром 311 мм. Чтобы обеспечить расход жидкости 44 л/с (2650 л/мин), используют два насоса

Данные для расчета пластическая вязкость—12-10-3 Па-с; предельное напряжение сдвига —

(0,479 • 12) Па; плотность бурового раствора — 1,057 кг/л; бурильная труба— внутренний и наружный диаметры 108,6 и 127 мм соответственно, длина—1975 м; УБТ—внутренний и наружный диаметры 73 и 203 мм соответственно, длина 189 м.

Наружный и внутренний диаметры последней обсадной колонны — 340 и 319 мм Эта колонна спущена на глубину 777 м Два насоса работают при максимальном давлении на стояке 15,17 МПа Предположим, что используют тип 4 наземного оборудования (см табл

7.1).

Решение 1 Пластическая модель Бингхэма Из табл. 7.1 находим значение константы

для типа 4 наземного оборудования E=1,4.10-6 и по формуле (7 1) определяем потери

давления в обвязке наземного оборудования

Находим среднюю скорость движения жидкости в бурильных трубах из выражения (7.2)

Определяем критическую скорость движения раствора в трубах из уравнения (7 3)

Поскольку v > vr , то поток —турбулентный и потери давления внутри бурильных труб

рассчитывают по формуле (7.5)

Следуя той же методике, что и для определения потерь в бурильной трубе, получаем среднюю скорость движения жидкости внутри УБТ

Далее находим критическую скорость движения раствора внутри УБТ

Поскольку v > vк, то поток — турбулентный, и потери давления внутри УБТ определяются

из уравнения (7.5)

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

p1+р2+p3+р4+p5=0,349+4,622+2,977+0,068+0,374=8,3 МПа. Следовательно, перепад

давления на долоте рд=15,17—8,3=6,78 МПа. Скорость струи в насадке определяем по

формуле (7.16):

Общую площадь насадок находим из выражения (7.17):

а диаметры насадок из (7.18):

Следовательно, выбираем две насадки диаметром 177 мм и одну— диаметром 16 мм. Общая площадь этих насадок равна 412,18 мм2, что больше вычисленной площади 410,32 мм2.

2. Модель, использующая степенной закон. Потери давления в обвязке наземного оборудования

Для установления потерь давления в бурильной колонне вначале определяем

Так как v>vs, то поток—турбулентный, и потери давления в бурильной трубе

рассчитывают по уравнению

Для определения потерь давления в УБТ найдем

Поскольку о>0к, то поток—турбулентный, следовательно, потери давления в УБТ

Так как скважина обсажена, то потери давления в затрубном пространстве необходимо определять как в открытом, так и в обсаженном стволе скважины (см. рис 7.2) Рассчитаем потери давления в кольцевом пространстве за бурильной колонной

Рассмотрим обсаженный участок скважины. Величины К. и я были определены выше:

ps=0,585, К=0,626; длина обсаженного участка L=777 м;

ширина кольцевого пространства составляет 319—127=192 мм. Находим

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Очевидно, что v<Vs, поэтому поток—ламинарный, и потери давления вокруг бурильной

трубы в обсаженной скважине

Длина бурильной колонны в открытом стволе составляет 1975—777=1198 м, а ширина кольцевого пространства равна 311—127=184 мм. Получаем

υ=2l,2•2650/(3ll•2—l272)= 0,695 м/с и υк=0,996 м/с. Так как υ<υк, то поток—ламинарный, и

потери давления вокруг бурильной трубы в открытом стволе

Общие потери давления вокруг бурильной трубы

Р5= РA+РB== 0,048 +0,083 =0,13 МПа.

Для установления потерь давления вокруг УБТ определим

Поскольку у<Ук, то поток—ламинарный и

Потери давления внутри и вокруг бурильной трубы и УБТ остаются постоянными, пока остаются неизменными свойства бурового раствора и геометрические размеры. Общие потери давления во всей системе (исключая долото) равны

Следовательно, перепад давления в долоте= Давление нагнетания — Общие потери давления= 15,17—8,11=7,06 МПа

Применяя ту же методику, что и при использовании пластической модели Бингхэма, получаем скорость струи в насадке v= 109,4 м/с, общую площадь насадки Ао= 402,5 мм2,

диаметр насадки dн=16,47 мм Отсюда выбирают две насадки диаметром 16 мм и одну—

диаметром 17 мм Общая площадь таких насадок составляет 396,4 мм2, что меньше 402,5 мм2 Если

выбирались две насадки диаметром 17 мм и одна—диаметром 16 мм, то общая площадь проходного сечения будет равна 412,7 мм2, что больше расчетной площади 402,5 мм2. На

практике выбирают меньший диаметр, чтобы получить максимальный перепад давления на долоте

3 Сопоставление двух моделей Из приведенных выше результатов видно, что при использовании двух моделей получают различные диаметры насадок для пластической модели Бингхэма имеем две насадки диаметром 17 мм и одну— 16 мм, а для модели, использующей степенной закон— две насадки диаметром 16 мм и одну—17 мм На практике это считается незначительным различием, а если давление буровых насосов больше 15,5 МПа, то выбирают три насадки диаметром 16 мм

Следует отметить, что представленные уравнения турбулентного потока применяют понятие турбулентной вязкости, равной (PV)/3,2, а не пластической. Если использовать

понятие пластической вязкости, то потери давления будут на 26 % выше значений, вычисленных с помощью уравнений турбулентного потока. Использование понятия турбулентной вязкости, т. е. (PV)/3,2, обеспечивает получение данных для потерь давления,

согласующихся с промысловыми результатами.

ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРАВЛИКИ ДОЛОТА Гидравлический расчет долота начинают с установления потерь давления в различных

элементах циркуляционной системы. Вычисляют потери давления в обвязке наземного оборудования, внутри и вокруг бурильной трубы, внутри и вокруг УБТ, а затем определяют